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使用有源偏置控制器偏置RF的最佳解决方案

利用有源偏置控制器偏置RF的最佳解决方案-射频(RF)和微波放大器在特定偏置条件下可提供最佳性能。偏置点所确定的静态电流会影响线性度和效率等关健性能指标。虽然某些放大器是自偏置,但许多器件需要外部偏置

射频(RF)和微波放大器在特定偏置条件下可供给最佳功用。偏置点所确认的静态电流会影响线性度和功率等关健功用指标。尽管某些放大器是自偏置,但许多器材需求外部偏置并运用多个电源,这些电源的时序需求加以恰当操控以使器材安全作业。本文概述了偏置时序操控要求和运用不同偏置条件的影响,并且介绍了一种运用有源偏置操控器/微波放大器的最佳处理计划。

本运用笔记概述了偏置时序操控要求和运用不同偏置条件的影响。本运用笔记还介绍了一种运用有源偏置操控器(如HMC980、HMC980LP4E、HMC981、HMC981LP3E、HMC920LP5E等)偏置射频/微波放大器的 最佳处理计划。

偏置放大器

电源时序操控

运用外部偏置放大器时,电源时序操控非常重要,原因如下:

● 不恪守正确的电源时序会影响器材的稳定性。超越击穿电压或许会导致器材当即失效。当超越边界条件的状况屡次发生且体系接受压力时,长时刻可靠性会下降。此外,接连违背时序操控形式会损坏片内维护电路并发生长时刻危害,导致现场操作毛病。

● 不只在上电和掉电期间,并且在惯例作业期间优化偏置电平,能够改进射频放大器的功用,具体状况取决于装备和运用要求。关于某些运用,能够改动放大器的射频功用以习惯不同的现场状况。例如,在雨天能够进步输出功率以扩宽掩盖规模,在晴天能够下降输出功率。放大器的外部栅压操控能够完成这些功用。

ADI公司具有各式各样的射频放大器。许多射频放大器是依据耗尽型高电子迁移率(pHEMT)技能。该工艺中运用的晶体管一般需求电源来为漏极引脚和栅极引脚供电。此静态漏极电流与栅极电压相关。典型场效应晶体管(FET)工艺的典型IV特性拜见图1。

图1.典型FET工艺的典型IV特性

跟着栅源电压(VGS)进步,更多电子进入沟道,发生更高的漏源电流(IDS)。

别的,跟着漏源电压(VDS)进步,拉动电子的电场力会变得更大,因而漏源电流也会增大(在线性区间中)。

在实践放大器中,因为沟道长度调制等效应,可将这些放大器大致归为两类:自偏置放大器和外部偏置放大器。

自偏置放大器

自偏置放大器有一个内部电路用来设置合适作业的最佳偏置点。这些放大器一般最合适宽带低功耗运用。自偏置放大器的典型引脚摆放拜见图2。

图2.带多个偏置引脚的多级自偏置放大器的典型引脚摆放

自偏置放大器尽管简单运用,但或许无法供给最佳功用,因为内部阻性偏置电路无法充沛补偿批次、器材和温度差异。

外部偏置放大器

在特定偏置条件下,外部偏置放大器供给的功用往往高于自偏置放大器。放大器的静态漏极电流会影响功率紧缩点、增益、噪声系数、交调产品和功率等参数。关于这些高功用外部偏置放大器,正确的电源时序操控关于保证器材以最佳功用安全作业至关重要。

图3显现了外部偏置放大器引脚和对应晶体管引脚的典型衔接。图3中的引脚映射是放大器的简化示意图。


图3.外部偏置放大器的典型衔接

此外,许多外部偏置放大器经过多级来满意增益、带宽和功率等要求。图4所示为多级外部偏置放大器HMC1131的典型框图。

图4.HMC1131多级外部偏置放大器

HMC1131偏置和时序操控要求

HMC1131是一款砷化镓(GaAs)、pHEMT单片微波%&&&&&%(MMIC)中功率放大器。作业频率规模为24 GHz至35 GHz。该4级规划供给的典型功用为22 dB增益、23 dBm输出功率(1 dB紧缩,即P1dB)和27 dBm饱满输出功率(PSAT),对应的偏置条件为VDD = 5 V且IDQ = 225 mA,其间VDD为漏极偏置电压,IDQ为静态漏极电流。HMC1131数据手册中针对24 GHz至27 GHz频率规模的电气标准表给出了此信息。图4显现了HMC1131的引脚衔接。

为了完成225 mA的方针静态漏极电流(IDQ),应将栅极偏置引脚电压(VGG1和VGG2)设置在0 V到−2 V之间。要设置该负电压而不损坏放大器,上电和掉电期间应恪守主张的偏置序列。

下面是HMC1131上电期间的主张偏置序列:

衔接到地。

将VGG1和VGG2设置为−2 V。

将漏极电压偏置引脚VDD1至VDD4设置为5 V。

进步VGG1和VGG2以完成225 mA的IDQ。

施加射频信号。

下面是HMC1131掉电期间的主张偏置序列:

封闭射频信号。

下降VGG1和VGG2至−2 V以完成大约0 mA的IDQ。

将VDD1至VDD4下降到0 V。

将VGG1和VGG2进步到0 V。

当栅极电压(VGGx)为−2 V时,晶体管会被夹断。因而,IDQ典型值挨近0。

一般来说,大多数外部偏置放大器的主张偏置序列是相似的。不同器材会有不同的IDQ、VDDx和VGGx值。为了封闭器材,GaAs器材的VGG一般设置为−2 V或−3 V,而关于氮化镓(GaN)放大器,该电压或许是−5 V至−8 V。相似地,GaN器材的VDDx或许抵达28 V,乃至50 V,而GaAs放大器一般小于13 V。

多级放大器的VGG引脚一般连在一起并一起偏置。遵从相同的程序,用户便可取得数据手册上供给的典型功用成果。在不同偏置条件下运用放大器或许会供给不同的功用。例如,将不同的VGGx电平用于HMC1131栅极偏置引脚以取得不同的IDQ值,会改动放大器的射频和直流功用。

图5显现了HMC1131在不同电源电流下P1dB与频率的联系,图6显现了不同电源电流下输出三阶交调截点(IP3)功用与频率的联系。

图5.不同电源电流下P1dB与频率的联系

图6.不同电源电流下输出IP3与频率的联系,POUT/信号音 = 10 dBm

运用多个VGGx引脚偏置放大器的另一种计划是独立操控栅极偏置引脚。该作业形式经过优化特定参数(如P1dB、IP3、NF、增益和功耗等)来协助用户定制器材。

这种灵活性对某些运用很有利。假如放大器数据手册上供给的功用数据能够轻松满意运用的某些要求,但与其他要求略有距离,那么在不超越数据手册给定的肯定最大额定值的状况下,测验不同偏置条件下的功用或许会有利。

偏置外部偏置放大器的另一种计划是设置VGGx以取得所需的225 mA IDQ,并在正常作业期间运用稳定栅极电压。这种状况下,放大器的IDD会在射频驱动下进步。此行为拜见HMC1131数据手册中的30.5 GHz功率紧缩图(如橙线所示)。栅极电压稳定的放大器和IDD稳定的放大器或许进步不同的功用。

共源共栅放大器

ADI公司宽带分布式放大器常常运用共源共栅架构来扩展频率规模。共源共栅分布式放大器运用一个基频单元,后者由两个FET串联而成,源极到漏极。然后屡次仿制该基频单元。这种仿制会进步作业带宽。图7所示为基频单元的原理示意图。

图7.基频共源共栅单元原理示意图

除了一些破例之外,共源共栅宽带放大器一般是外部偏置。

HMC637A是一款选用共源共栅拓扑结构的宽带放大器。HMC637A是一款GaAs、MMIC、金属半导体场效应晶体管(MESFET)分布式功率放大器,作业频率规模为DC至6 GHz。图8显现了HMC637A的引脚衔接。

图8.HMC637A引脚衔接

该放大器供给14 dB增益、43 dBm输出IP3和30.5 dBm输出功率(1 dB增益紧缩),偏置条件为VDD = 12 V、VGG2 = 6 V和IDQ = 400 mA。HMC637A数据手册中的电气标准表给出了此信息。

为了完成主张的400 mA静态漏极电流,VGG1有必要坐落0到−2 V之间。要设置所需的负电压,上电和掉电期间应恪守主张的偏置序列。

下面是HMC637A上电期间的主张偏置序列:

衔接到地。

将VGG1设置为−2 V。

将VDD设置为12 V。

将VGG2设置为6 V(VGG2可经过电阻分压器从VDD取得)。

进步VGG1以完成400 mA的典型静态电流(IDQ)。

施加射频信号。

下面是HMC637A掉电期间的主张偏置序列:

封闭RF信号。

下降VGG1至−2 V以完成IDQ = 0 mA。

将VGG2降至0 V。

将VDD降至0 V。

将VGG1进步至0 V。

运用有源偏置操控器偏置外部偏置放大器

偏置外部偏置放大器主要有两种办法:

● 稳定栅极电压办法。这种办法首要经过改动栅极电压值来完成所需的IDQ值。然后,此栅极电压值在作业期间坚持不变,这一般导致射频驱动下的漏极电流(IDD)会发生改变。

● 稳定IDD办法。这种办法首要改动栅极电压值以完成所需的IDQ值,然后监督放大器的IDD值,并且不断调整栅极电压值,然后在不同射频驱动水平下具有相同的IDD值。有源偏置操控器使被测器材(DUT)的IDD坚持稳定。

还有一种办法,它归于稳定IDD办法,过程如下:先依照稳定IDD办法操作,然后依据现场具体状况的需求,在多个稳定IDD电平之间切换。例如,在雨天,用户能够偏置发射机的功率放大器级以取得高电流水平,然后补偿额定的雨致衰减。而在晴天,用户能够偏置该功率放大器以取得低电流水平,然后下降功耗。

ADI公司的射频放大器一般选用稳定栅极电压办法和台式电源单元来标定。因而,运用稳定IDD办法偏置这些放大器或许导致其射频功用不同于放大器数据手册给出的功用。

规划放大器偏置电路以使漏极电流坚持稳定并供给必要的时序操控会很费事。这种操控电路会很杂乱,不只需求多个外部器材,如低压差稳压器(LDO)、电荷泵、电压时序操控和维护电路等,并且需求校准周期。此类实施计划一般要占用比放大器自身大得多的印刷电路板(PCB)面积。

HMC920LP5E将一切必需的作业模块集成在一个紧凑型5 mm &TImes; 5 mm塑料表贴(SMT)封装中。与分立式偏置计划比较,该紧凑型计划消除了多个%&&&&&%和外部器材,因而占用的PCB面积更小。

与HMC920LP5E相似,有源偏置操控器需求的PCB面积也小于分立式晶体管处理计划。选用HMC980LP4E时,偏置时序操控、稳定栅极电压调整、短路维护和负电压发生特性全都在10 mm &TImes; 15 mm的PCB面积内完成。

HMC981LP3E、HMC980LP4E和HMC920LP5E分别是3 mm &TImes; 3 mm、4 mm &TImes; 4 mm和5 mm × 5 mm塑料封装有源偏置操控器。图9显现了典型运用需求的PCB面积,包含外部无源器材。

图9.典型运用需求的PCB面积

ADI公司有源偏置操控器系列具有多方面关健优势:

● 内部负电压发生器在VGATE引脚发生外部偏置放大器所需的负电压。这些发生器的存在使得电压逆变器不再需求,器材数量、PCB面积和体系本钱得以削减。

● 接连内部栅极电压调整保证DUT漏极电流稳定不变。

● 因为器材间差异的影响下降,偏置精度会进步。关于器材类型相同的不同放大器,因为器材间差异,取得希望IDD所需的最佳栅极电压电平是不同的。因而,对各DUT设置相同的栅极电压值会发生不同的射频功用。有源偏置操控器会调整各个DUT的栅极电压电平,然后下降器材间差异引起的功用差异。

图10和图11显现了器材间差异影响下降的状况。

图10.典型放大器在固定外部VGATE偏置下的偏置电流差异

图11.运用HMC920LP5E偏置时,相同放大器的偏置电流差异得到改进

● 内部偏置时序操控电路保证在VGATE负电压不存在时,不向DUT供给VDRAIN引脚和VG2引脚上的正电压。这样在DUT上电和掉电期间,就无需外部器材来履行时序操控。

● 在VGATE引脚之后,短路维护电路禁用VDRAIN引脚,保证DUT即便在短路状况下也是安全的。

图12.HMC980LP4E的典型运用电路

栅极电压自动操控功用经过内部反应使稳定的静态偏置电流流经偏置下的放大器,该电流与温度和放大器阈值改变无关。静态偏置电流运用外接电阻来调整。图12显现RSENSE电阻(R10)衔接到HMC980LP4E的引脚20。

关于怎么核算RSENSE和VDD值的更多信息,请参阅有源偏置操控器数据手册。

ADI公司供给三款有源偏置操控器:HMC920LP5E、HMC980LP4E和HMC981LP3E。表2具体列出了这些有源偏置操控器的部分重要特性。

HMC980LP4E能够向漏极供给高电流,而HMC981LP3E最合适需求较低漏极电流的器材。除负电压发生器之外,HMC920LP5E还集成了正电压调节器,能够向漏极引脚供电。

作业原理

关于外部偏置放大器,ADI公司数据手册电气标准表的底部特别说明晰VGG和IDD的偏置要求。例如,HMC637A要求将其VGG1从−2 V调整到0 V以取得典型值为400 mA的IDQ。不过,应遵从引荐的上电和掉电序列,避免损坏HMC637A。

HMC980LP4E运用集成操控电路来办理方针放大器的安全上电和掉电序列。

上电期间,偏置操控器的VDD和VDIG电源接通,然后由内部负电压发生器(NVG)发生VNEG。VNEG在抵达其默许值(一般为−2.46 V)时,便开端下降并中止。VGATE输出电压也开端下降。一般,一旦抵达VNEG = −2.5 V和VGATE = −2.1 V,VDRAIN输出就会使能,VGATE开端向0 V进步,以取得DUT需求的IDD值。

相似的掉电维护电路也会使DUT安全掉电。掉电期间,VGATE总是在VDD之后关断,即便VDD引脚或DUT的VGG引脚短路也是如此。在DUT IDD电流过大的状况下,此特性可为DUT供给高档维护。

图13.HMC981LP3E供电轨使能序列

调整默许VNEG和VGATE阈值

VNEG典型值为−2.46 V,如图14所示。因为HMC980LP4E的内部逻辑,此默许值会约束HMC980LP4E的VGATE输出电压摆幅才能。

图14.VNEG默许值

选用默许装备时,VGATE典型输出摆幅在−2 V到0 V之间。可是,

● 某些DUT或许需求小于−2 V的栅极电压。

● 某些DUT的栅极电压肯定最大额定值(AMR)大于−2.1 V,例如为−1.5 V。这种状况下,要求DUT的典型栅极电压高于VGATE的AMR值,例如为−1 V。但在上电期间,HMC980LP4E的VGATE输出总是降至−2 V的典型值。

经过外部电阻调整VNEG和VGATE的默许值,能够一起处理上述两个问题。图15所示的电阻R5、R6、R7和R8便是用于此意图。

图15.用于调整VNEG和VGATE默许值的外部电阻

假如所需VNEG −2.46 V,则R5 (kΩ) = 开路,且R6 (kΩ) = 50/(50 × (所需VNEG − 0.815)/(262 × (0.815 − 1.44)) − 1)。

假如所需VNEG > −2.46 V,则R5 (kΩ) = 262/(262 × (1.44 − 0.815)/(50 × (0.815 − 所需VNEG)) − 1),且R6 (kΩ) = 开路。

假如所需VGATE −2.46 V,则R7 (kΩ) = 开路,且R8 (kΩ) = 50/(50 × (所需VGATE − 0.815)/(262 × (0.815 − 1.44)) − 1)。

假如所需VGATE > −2.46 V,则R7 (kΩ) = 262/(262 × (1.44 − 0.815)/(50 × (0.815 – 所需VGATE)) − 1),且R8 (kΩ) = 开路。

上电期间,假如VNEG抵达默许值−2.46 V,则VNEG使能。因而,VNEG值有必要小于VGATE值。

主张将HMC980LP4E的VNEG值装备为大于−3.5 V。

例如,若所需VNEG = −1.5 V且VGATE = −1.3 V,则R5 = 631 kΩ,R7 = 477 kΩ,R6 = R8 = 开路。此外,若所需VNEG = -3.2 V且VGATE = -3 V,则R6= 221 kΩ,R8= 303 kΩ,R5= R7 = 开路。

削减VGATE上升时刻

使能信号抵达有源偏置操控器使能引脚的时刻,与DUT VGATE输入引脚的VGATE电压电平树立至所需值的时刻之间存在一个推迟。偏置操控器的内部传达推迟和VGATE信号的树立时刻一起引起此推迟。有源偏置操控器VGATE输出与DUT VGATE输入引脚之间的衔接上运用的分流电容会影响VGATE树立时刻。HMC980LP4E典型使能波形(拜见图16)标明VGATE树立时刻大于1 ms。

图16.HMC980LP4E典型使能波形

外部电路会影响栅极上升时刻,但不影响传达推迟。图17显现了HMC980LP4E和DUT放大器之间的典型VGATE衔接。分流电容C1一般用在放大器的VGG引脚上,R1一般为0 Ω,即不运用。

图17.HMC980LP4E和DUT之间的VGATE衔接电路

当C1 = 10 μF时,典型上升时刻大于1.5 ms(拜见图18)。C1减小到1 μF时,上升时刻削减到131 μs(拜见图19)。

图18.C1 = 10 μF时的典型VGATE上升时刻

图19.C1 = 1 μF时的典型VGATE上升时刻

当C1 = 100 nF时,VGATE上升时刻削减到15.5 μs,但过冲会引起响铃振动(拜见图20)。给C1 = 100 nF添加一个值为68 Ω的串联电阻R1,能够改进呼应功用并使上升时刻坚持在相似水平(拜见图21)。

图20.C1 = 100 nF时的典型VGATE上升时刻

图21.C1 = 100 nF且R1 = 68 Ω时的典型VGATE上升时刻

菊花链装备

当多个有源偏置操控器偏置多个DUT时,能够让其构成菊花链装备。当VDRAIN、VG2和VGATE输出树立时,有源偏置操控器发生TRIGOUT输出。运用TRIGOUT信号经过使能引脚(EN)使能另一个偏置操控器,能够进步体系安全水平。菊花链装备有许多运用,图22和图23显现了两种运用。DUT级数和偏置操控器数量能够添加。

图22.级联装备的两个放大器的菊花链装备

图23.DUT放大器坐落不同信号途径上的菊花链装备

图24显现了菊花链装备中两个有源偏置操控器的VDRAINx和VGATEx呼应,每个偏置操控器为一个DUT供电。第二偏置操控器由榜首偏置操控器供给的触发信号使能。这种架构保证第二DUT在榜首DUT使能后使能。

图24.菊花链装备中两个有源偏置操控器的VDRAINx呼应,每个偏置操控器为一个DUT供电

图25.菊花链装备中两个有源偏置操控器的VGATEx呼应,每个偏置操控器为一个DUT供电

测验有源偏置操控器的功用

有源偏置操控器的VDRAIN和VGATE输出能够偏置DUT,例如有外部偏置要求的FET或放大器。一旦将DUT衔接到偏置操控器,反应环路便闭合,偏置操控器即可作业。

关于带固定负载(如电阻)的有源偏置操控器,因为环路未闭合,因而无法测验其功用。

尽管测验无DUT的有源偏置操控器不会供给有用信息,但可履行如下确诊查看。

● IDD = 0 mA时,VDD输入和VDRAIN输出上的压降可忽略不计;因而,VDRAIN简直等于VDD。 ● VNEG典型值为−2.46 V。 ● VGATE最大值为VNEG + 4.5 V,典型值为2.04 V。

关于其他偏置操控器,这些值可从数据手册中取得。

运用单个有源偏置操控器偏置多个DUT

能够运用单个有源偏置操控器来偏置两个或更多DUT。为此,核算RSENSE值时应考虑DUT的总漏极电流。

但应留意,运用这种办法会约束有源偏置操控器的优势,原因如下:

● 有源偏置操控器无法补偿GaAs器材常见的器材间栅极电压差异。因而,两个器材或许运用同一栅极电压来偏置,达不到最佳功用。

● 假如某个DUT因为短路或其他毛病而耗费过大电流,偏置操控器会封闭一切受偏置的DUT。尽管这不会损坏器材,但会影响体系功用。

有源偏置操控器电路示例

运用HMC981LP3E偏置HMC460LC5

要运用HMC981LP3E偏置HMC460LC5,请履行如下程序:

● 将R10设置为426 Ω,以设置HMC981LP3E的IDD = 75 mA。能够运用常见电阻值430 Ω。

● 核算VDD值为8.75 V。

● 运用R4和R6保证VGATE电压在HMC981LP3E数据手册给出的肯定最大额定值以内。概况拜见“调整默许VNEG和VGATE阈值”部分。

● 能够减小VGG分流电容值以添加上升时刻(拜见图26中的HMC460LC5)。概况拜见“削减VGATE上升时刻”部分。

图26.运用HMC981LP3E偏置HMC460LC5的运用电路

运用HMC980LP4E偏置HMC1082LP4E

要运用HMC980LP4E偏置HMC1082LP4E,请履行如下程序:

● 将R10设置为680 Ω,以设置HMC980LP4E的IDD = 220 mA。

● 核算VDD值为5.62 V。

● 运用R5和R7保证VGATE电压在HMC980LP4E数据手册给出的肯定最大额定值以内。概况拜见“调整默许VNEG和VGATE阈值”部分。

● 能够减小VGG分流电容值以添加上升时刻(拜见图27中的HMC1082LP4E)。概况拜见“削减VGATE上升时刻”部分。

图27.运用HMC980LP4E偏置HMC1082LP4E的运用电路

*运用HMC980LP4E偏置HMC659LC5 *

要运用HMC980LP4E偏置HMC659LC5,请履行如下程序:

● 将R10设置为500 Ω,以设置HMC980LP4E的IDD = 300 mA。

● 运用常见电阻值510 Ω。

● 核算VDD值为8.84 V。

● 运用R3和R4设置HMC980LP4E的VGG2。

● 运用R5和R7保证VGATE电压在HMC980LP4E数据手册给出的肯定最大额定值以内。概况拜见“调整默许VNEG和VGATE阈值”部分。

● 能够减小VGGx分流电容值以添加上升时刻(拜见图28中的HMC659LC5)。概况拜见“削减VGATE上升时刻”部分。

图28.运用HMC980LP4E偏置HMC659LC5的运用电路

*运用HMC920LP5E偏置HMC659LC5 *

要运用HMC920LP5E偏置HMC659LC5,请履行如下程序:

● 将RSENSE设置为549 Ω,以设置HMC920LP5E的IDD = 300 mA。

● 将R8设置为30.9 kΩ以设置VDRAIN = 8 V。

● 运用R20和R22保证VGATE电压在HMC920LP5E数据手册给出的肯定最大额定值以内。概况拜见“调整默许VNEG和VGATE阈值”部分。

● 能够减小VGGx分流%&&&&&%值以添加上升时刻(拜见图29中的HMC659LC5)。概况拜见“削减VGATE上升时刻”部分。

图29.运用HMC920LP5E偏置HMC659LC5的运用电路

定论

在上电和掉电期间,遵从外部偏置器材的主张偏置序列以保证器材安全。运用有源偏置操控器来操作放大器可保证器材按正确时序运转并处于所需的电平,然后改进体系全体功用。

ADI公司的有源偏置操控器系列能够满意外部偏置射频/微波器材(如FET、放大器、倍频器、光学调制器驱动器和频率转换器等)的偏置要求。DUT的栅极电压经过闭环反应来调整,以供给所需的漏极电流。在上电和掉电期间,偏置操控器的VGATE、VDRAIN和VGG2输出的时序操控特性保证DUT遭到很好的维护。

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